铁路绿色隧道工程材料技术研究进展

发布时间：2021-12-04 16:22所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：川藏铁路的开工标志着我国铁路逐渐向高原艰险建设禁区推进，高原山区铁路建设存在生态环境敏感、建设条件困难、长大隧道占比高、隧道洞渣量大等共性难题，使铁路工程的绿色建造面临重大挑战。为实现铁路绿色隧道工程建设，从隧道工程材料的角度出发，基于取之于

　　摘要：川藏铁路的开工标志着我国铁路逐渐向高原艰险建设禁区推进，高原山区铁路建设存在生态环境敏感、建设条件困难、长大隧道占比高、隧道洞渣量大等共性难题，使铁路工程的绿色建造面临重大挑战。为实现铁路绿色隧道工程建设，从隧道工程材料的角度出发，基于“取之于隧道，用之于隧道”的原则，系统提出隧道洞渣减量化设计和资源化利用的绿色技术途径，探讨隧道洞渣制备机制骨料的质量控制措施;针对隧道建设过程中喷射混凝土损耗大的难题以及回收利用率低的现状，分析低回弹喷射混凝土关键性能特征及其制备技术;为解决隧道曲面狭小结构施工难题以及延长隧道结构的使用寿命，提出自充填隧道衬砌混凝土关键性能指标与制备技术。

　　关键词：绿色隧道;工程材料;隧道洞渣;低回弹喷射混凝土;自充填衬砌混凝土

　　0引言

　　我国以高速铁路、重载铁路、高原铁路为代表的铁路建设技术处于世界领先水平[1]，推进绿色铁路工程建设是保持我国在世界铁路建设领域的领先地位、引领未来发展方向、实现可持续发展的必由之路。GB/T50378—2019《绿色建筑评价标准》的颁布实施，对建筑全寿命周期内最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境以及减少污染方面做出了重大贡献[2]。

　　铁路论文范例： 铁路桥梁工程中混凝土工艺质量把控措施

　　但铁路工程不同于民建工程，其是典型的线性工程，需跨越多地域、变气候的复杂环境，因此，绿色铁路工程建设具有特殊性和复杂性。孙永福等[3]指出，绿色铁路工程的内涵包括生态保护、资源节约与高效利用、基于全寿命周期的质量提升。李化建等[4]曾将环境伦理观引入到高速铁路建设中，结合京沪高速铁路工程，从资源综合利用、延长高速铁路服役年限以及环境保护等方面阐述了高速铁路建设过程中环境伦理观的具体实践。

　　综合不同研究者的结论[5-6]，绿色隧道可定义为：在全寿命周期内，最大限度地节约资源、保护生态、减少污染，为列车运行提供高效适用、长寿耐久的隧道结构，实现乘客、隧道与自然的和谐共生。随着川藏铁路开工建设以及边疆铁路网的规划，我国铁路逐渐向高原艰险山区推进，铁路工程建设面临着生态环境敏感、建设条件困难、长大隧道占比高、隧道洞渣产量大等共性难题，绿色铁路工程尤其是绿色隧道将成为其建设过程中的重大挑战。

　　川藏铁路隧道比例高达82.6%，洞渣数量约为1.4亿m3，且沿线生态脆弱，地形以峡谷地貌为主，弃渣场设置和维护极为困难。因此，隧道洞渣立体化全方位利用将成为川藏铁路建设的重大技术难题[7-8]。隧道建设过程混凝土消耗量大是绿色隧道建设又一大难题，尤其是初次支护时喷射混凝土消耗尤为严重，喷射混凝土理论消耗量是设计量的1.6～3.8倍[9]。

　　由于隧道衬砌存在特殊的曲面结构、施工过程封闭模腔以及拱顶无法充分振捣等客观因素，衬砌容易出现充填不密实、背后存在空洞、潜在掉块风险等问题，无法满足隧道结构百年设计使用寿命要求，且还会影响行车安全[10]。高原艰险山区隧道工程建设过程中面临隧道洞渣利用难、喷射混凝土损耗大、衬砌混凝土耐久性不足等问题，制约了绿色隧道工程的建设。

　　在隧道绿色施工方面，文献[11]基于我国西北寒旱地区生态环境脆弱，且铁路工程施工阶段资源消耗多、环境污染严重的现状，从“四节一环保”5个方面建立了西北寒旱地区铁路绿色施工等级评价的指标体系。赵光宇[12]采用PSR(压力-状态-响应)模型和Vague相似性归纳法，对铁路隧道进行了有效的绿色施工评价;通过C-OWA算子对3级指标进行赋权，基于C-OWA算子计算专家权重和Vague集积分函数综合确定各评价指标的权重，削弱了专家主观因素对评价的不利影响。

　　在铁路绿色混凝土方面，李化建等[13-14]以高速铁路建设使用量最大的工程材料———高性能混凝土为研究对象，基于铁路工程作用环境的功能性指标，面向全过程的经济性指标以及考虑资源利用、能源消耗、CO2排放、水污染、粉尘污染、噪声污染的环境性指标，建立高速铁路混凝土绿色度评价指标体系，利用模糊数学和关联分析方法，确定混凝土绿色度评价模型以及绿色度中各评价指标权重，从而量化高速铁路混凝土绿色度。

　　目前，虽然对绿色隧道建设已有些研究，但适用于铁路绿色隧道的工程材料技术研究较少。本文从隧道工程材料角度出发，基于“取之于隧道，用之于隧道”的理念，系统提出隧道洞渣绿色资源化利用技术途径;探讨低回弹隧道喷射混凝土关键性能指标与制备技术，以减少喷射混凝土损耗;从减少衬砌空洞等病害、延长结构寿命出发，提出隧道衬砌自充填混凝土关键性能指标与制备技术，以期为铁路绿色隧道的设计与建设提供材料支撑。

　　1隧道洞渣建材资源化利用

　　洞渣是隧道开挖过程中的必然产物，具有产量高(我国铁路工程单线隧道每km约产生7万m3洞渣，双线隧道每km约产生20万m3洞渣)、危害大(侵占土地、破坏地表植被，易诱发泥石流、滑坡等灾害)、处置费用高(洞渣处置及弃渣场后期维护费用合计40～50元/m3)等特点[15-16]，因此，隧道洞渣的减量化设计与资源化利用是铁路隧道绿色建造的重要内容。

　　1.1隧道洞渣综合利用技术途径

　　1.1.1减量化设计铁路工程设计之初会综合考虑多种隧道技术优化措施来减少隧道的出渣量，例如：采用优化线路平纵断面、优化线路设计(以桥代隧、以路代隧、站址调整等)以及提高坡度等方案。在确保工程安全可靠和满足功能需求的条件下，缩短隧道长度，整体上实现隧道出渣减量化;通过抬高长大隧道线位高程和优化隧道平纵曲线，降低隧道埋深，减少辅助坑道数量及长度，进而达到减少隧道出渣的目的;对于特长辅助坑道，采用有轨斜井、竖井方案，以降低通风距离，减少辅助坑道出渣[17]。

　　1.1.2建材资源化利用隧道洞渣具有产出量高、性能波动大等特点，将其制备成使用量大的建筑材料是其资源化利用最有效的技术途径。由于隧道地质情况复杂、隧道洞渣种类繁多，在资源化利用过程中要充分考虑隧道围岩级别、洞渣物理化学性质等，并根据不同需求，对隧道洞渣进行等级划分和分类应用[18]。

　　隧道洞渣中的土夹石、软岩石土块适宜用于路基回填或边坡防护等工程;隧道洞渣中强度等级不大于30MPa的石块经挑选、筛分后可用于路基回填;隧道洞渣中强度为30～60MPa的石块经加工生产后，不仅可以用于路面垫层，还可以用于制备施工便道用混凝土;隧道洞渣中强度大于60MPa的石块制备成机制砂石后，可以用于制备隧道、桥梁等工程中C40及以下强度等级的混凝土。性能极优异的洞渣石块可以考虑用于制备道砟，例如：王红等[19]利用洞渣制备出聚氨酯固化道床用道砟，并研究了聚氨酯固化道床的静态和动态性能，从结构受力角度证明了隧道洞渣用于制备固化道床的可行性。本文基于隧道洞渣的力学性能，提出了隧道洞渣建材资源化利用技术路径。

　　1.2机制砂石生产用隧道洞渣质量控制技术

　　山区铁路沿线河砂资源严重匮乏，外运河砂成本高，交通运输不便，且受到季节性开采限制，严重影响施工工期。隧道洞渣制备机制砂石骨料是隧道洞渣“取之于隧道，用之于隧道”的最佳技术途径。Q/CR9570—2020《铁路机制砂场建设规程》中规定：母岩符合要求、性能稳定，且能够成区段成规模的隧道洞渣可以作为机制砂的料源[20]。隧道洞渣开挖过程中的复杂性、多样性和易变性，致使隧道洞渣产量及清洁度受开挖进度和开挖方式的影响，因此，隧道洞渣用作机制砂料源时应加强母岩质量控制和除杂控制。

　　1.2.1母岩质量控制

　　为了控制隧道洞渣作机制砂母岩时的质量，针对川藏铁路沿线隧道围岩等级和地质情况，中国铁道科学研究院集团有限公司编制了铁建设[2021]19号《川藏铁路机制砂用隧道洞渣质量评定暂行规定》，首次规定了隧道洞渣的物理力学性能、有害物质、耐久性能等指标，明确了机制砂用隧道洞渣的性能要求，并要求洞渣日常检验按1500t为一批次[21]。

　　隧道施工过程应结合掌子面前方超前地质预报资料及钻孔芯样的检验情况，初步判断该隧道区段的洞渣能否用于生产机制砂石。当判定隧道洞渣质量不满足生产机制砂石要求时，应在距离该断面至少1个开挖循环处停止使用洞渣。采用饱和抗压强度表征隧道洞渣性能可能出现无法制样、制样过程繁琐、测试耗时长等问题，致使无法满足现场生产过程质量控制。

　　针对饱和抗压强度表征隧道洞渣性能的局限性，研究了快速评价隧道洞渣力学性能的试验方法[18]。隧道洞渣母岩饱和抗压强度分别与点荷载强度指数和岩石回弹强度的相关性测试结果。当点荷载强度指数不小于3MPa或岩石回弹强度不小于60MPa时，岩石饱和抗压强度大于60MPa。基于此，提出了隧道洞渣用作机制砂母岩时，其点荷载强度指数和岩石回弹强度的技术要求。

　　1.2.2除杂控制

　　隧道洞渣含杂量高、清洁度低的特性会使机制砂石骨料存在有害物质超标的风险，洞渣除杂的目的是剔除泥块及包裹的其他杂物。除杂方式分为2种：1)在隧道内筛分，然后将筛上物转运至加工场地进行破碎加工;2)先将隧道洞渣全部转运至加工场地，再在破碎加工过程中，利用振动筛分给料机的振动与筛分作用筛除洞渣中的杂物。筛分时筛网孔眼尺寸可根据隧道开挖方式确定，钻爆法施工产生的隧道洞渣粒径较大，孔眼尺寸宜为100mm左右;TBM法施工产生的隧道洞渣粒径较小，孔眼尺寸宜为50mm左右。

　　采用喷水管冲洗或专用洗石机械清洗洞渣中的泥土及杂质，有利于降低洞渣中的轻物质、有机物等有害物质含量和机制砂的MB值。对于钻爆法施工的隧道洞渣，可以采用喷水管冲洗的方式进行清洗;对于TBM法施工的隧道洞渣，由于其洁净度较低，宜采用滚筒洗石机和水洗振动筛2级水洗相结合的工艺清洗。

　　2低回弹喷射混凝土

　　喷射混凝土是隧道建设中支护的关键材料，具有工艺简单、施工速度快、凝结时间短、早期强度高等特点，其主要作用是与围岩黏结成一体，控制围岩松弛、变形或劣化以及防止围岩与涌水接触而软化失稳[22]。

　　喷射混凝土的施工工艺逐渐由干喷转变成湿喷，在一定程度上缓解了喷射混凝土施工粉尘大、回弹率高、质量稳定性差等问题。但大量工程实践显示，湿喷工艺下喷射混凝土回弹率依然超过10%[9]。高回弹率不仅会造成喷射混凝土厚度太薄而引起质量缺陷，而且会浪费材料资源，增加施工成本。因此，降低喷射混凝土回弹率在隧道绿色建造中意义重大。

　　2.1低回弹喷射混凝土关键性能特征

　　喷射混凝土的回弹主要发生在喷射施工阶段，其拌合物状态是影响喷射混凝土回弹率的关键内在因素，喷射工艺、喷射设备种类和规格、受喷面状态等则是显著影响喷射混凝土回弹率的外界因素。研究显示，协调控制外界因素和内在因素的影响，喷射混凝土可达到较低水平的回弹率[23]。低回弹喷射混凝土应具备以下关键特征：1)拌合物黏聚性好。在不影响喷射混凝土压送性的条件下，通过技术手段增强喷射混凝土黏聚性和包裹性，可以降低施工操作区间内的粉尘量，减少喷射过程中混凝土飞溅和回弹，并保证喷射混凝土喷射后不会因为黏聚性小而造成严重跌浆的问题。

　　2)与围岩黏结强度高。喷射混凝土在压力作用下喷射至受喷面后，与受喷面黏结作用良好，不滑移、不脱落且能达到一定厚度，不仅能降低喷射混凝土回弹率，还能使喷射混凝土硬化后与围岩紧密黏结，提高混凝土与围岩结构的协同承载能力，这是提升喷射混凝土实体质量的关键指标。由于黏结强度试验方法的不同以及实验室和现场试验条件的差异，国内外关于喷射混凝土与围岩的黏结强度量值也不尽相同。3)凝结时间短。通过掺加适量速凝剂，使喷射混凝土喷射至受喷面后，在极短时间内达到终凝状态，加速喷射混凝土硬化，降低混凝土回弹率，并较早地发挥支护作用。

　　3自充填隧道衬砌混凝土

　　我国铁路工程隧道多采用复合式衬砌结构，隧道衬砌施工面临作业空间狭小、混凝土封闭模腔内流动距离长、竖向高度落差大、拱顶振捣困难等特点，容易产生混凝土施工振捣不密实、强度不足、强度离散性大、拱顶空洞等问题，影响铁路隧道工程耐久性及行车安全[38]。要从根本上解决上述问题，应该开发适用于隧道衬砌性能、能够消除可能存在潜在缺陷的衬砌混凝土，但遗憾的是，目前我国关于衬砌混凝土的研究鲜有文献发表[39]。

　　4结论与建议

　　1)隧道洞渣减量化设计和资源化利用践行了“取之于隧道，用之于隧道”的理念，不仅能降低对环境的危害，还能产生巨大的社会经济效益。我国对隧道洞渣的综合利用仍处于初级阶段，为提升洞渣在铁路隧道工程中的绿色价值，应在隧道洞渣性能智慧评价技术、TBM法和钻爆法隧道洞渣制备高品质骨料技术以及低品质隧道洞渣改性技术等方面开展深入研究，以实现隧道洞渣高品质立体化应用。

　　2)应用低回弹喷射混凝土是减少隧道建设材料损耗和降低潜在施工危害的有效技术途径，回弹喷射混凝土的再利用是绿色隧道建造过程中重要的节材体现。针对低回弹喷射混凝土无量化评价指标以及制备技术储备少的现状，应加快建立能够反映实际工况的低回弹喷射混凝土评价指标体系，并形成低回弹喷射混凝土的制备技术指导规范。

　　3)自充填衬砌混凝土兼具自充填性、高间隙通过性、高动态稳定性、高稳健性以及高耐久性等优势，适用于狭窄、封闭、曲面隧道衬砌结构施工，可降低施工作业强度、提升隧道衬砌质量、延长衬砌使用寿命，进而显著提升绿色隧道全生命周期的服役性能。此外，还应从材料—施工—运营维护全生命周期效益对自充填混凝土隧道衬砌进行评价，以利于自充填混凝土在隧道衬砌结构中的推广。4)铁路工程隧道绿色材料的研发与应用还处于初级阶段，亟需建立适用于铁路工程特点的隧道绿色材料相关标准体系。

　　参考文献(References)：

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　　作者：李化建1，2，黄法礼1，2，王振1，2，罗勋3，袁政成1，2，易忠来1，2，谢永江

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